章旭虎
(山西汾河焦煤股份有限責(zé)任公司,山西 洪洞 041602)
霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦2-511工作面位于2號煤層五采區(qū),主采2號煤層,煤層均厚4.2 m,平均傾角為9°,含有一層均厚為0.5 m的夾矸層,煤層基本頂為中砂巖,均厚為6.5 m,直接頂為砂質(zhì)泥巖,均厚為4 m,直接底為泥巖,厚度為3 m,基本底為中砂巖,厚度為2.5 m,工作面采用大采高一次采全高采煤方法,設(shè)置采高為4 m,全部垮落法管理頂板。工作面回風(fēng)巷道斷面為矩形,沿2號煤層頂板掘進(jìn),巷道寬度5 300 mm,高度3 500 mm,根據(jù)2號煤層的地應(yīng)力測試結(jié)果知圍巖的最大主應(yīng)力為東西方向,其值為11.2 MPa,最小主應(yīng)力為豎直方向,其值為11.1 MPa,屬于高應(yīng)力煤層巷道,為充分保障巷道圍巖的穩(wěn)定,決定在巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)在基本支護(hù)的基礎(chǔ)上配合鉆孔卸壓的方式對巷道圍巖進(jìn)行控制。
根據(jù)巷道圍巖松動(dòng)圈理論,巷道在開挖后會(huì)破壞圍巖原有的應(yīng)力平衡狀態(tài),應(yīng)力會(huì)進(jìn)行重新平衡,淺部圍巖的一定深度內(nèi)出現(xiàn)松動(dòng)圈,圍巖平衡穩(wěn)定后會(huì)由外至里依次形成破碎區(qū)、塑性區(qū)及彈性區(qū),由于松動(dòng)圈范圍內(nèi)的圍巖處于單向或者雙向受力狀態(tài),巖石在集中應(yīng)力的作用下會(huì)破壞,盡管破壞后的圍巖體存在著一定的殘余強(qiáng)度,但圍巖的破壞會(huì)使得圍巖體內(nèi)的應(yīng)力得到釋放[1-2]。
鉆孔卸壓的原理與巷道開挖相似,通過在巷道表面施工卸壓鉆孔,鉆孔周圍的圍巖應(yīng)力同樣會(huì)重新分布,形成塑性區(qū)域,在應(yīng)力再次平衡的過程中,圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)及巷道圍巖的應(yīng)力峰值會(huì)向圍巖的深部轉(zhuǎn)移,進(jìn)而能夠有效降低高應(yīng)力巷道周邊圍巖的應(yīng)力,控制圍巖的變形,巷道圍巖在打設(shè)卸壓鉆孔前后圍巖應(yīng)力峰值的變形情況如圖1所示。在對巷道圍巖施工多個(gè)卸壓鉆孔時(shí),各個(gè)鉆孔形成的破壞區(qū)和塑性區(qū)會(huì)相互疊加,進(jìn)而形成一條類似于梯子的卸壓區(qū)域,該卸壓區(qū)域的形成能夠改善高應(yīng)力巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境,為巷道圍巖的變形提供一定的空間,進(jìn)而保證巷道圍巖的穩(wěn)定[3-4]。
3.1.1 支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)
針對2-511工作面回風(fēng)巷的具體地質(zhì)條件,確定采用錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。錨桿采用D22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿,頂板每排布置6根,間排距為1 000 mm×1 000 mm,兩幫每排布置4根,間排距為900 mm×1 000 mm,錨固方式為全長錨固,設(shè)計(jì)錨固力不低于228 kN,頂板兩側(cè)錨桿向外傾斜10°進(jìn)行安裝,其余均垂直與頂板打設(shè),兩幫錨桿頂?shù)變筛蛏虾拖蛳聝A斜10°進(jìn)行安裝,其余垂直巷道打設(shè);頂板錨索采用D22 mm×6 300 mm的1×19股鋼絞線,采用2-3-2-2布置,間排距為1 800 mm×2 000 mm,煤柱幫錨索采用D22 mm×5 300 mm的1×19股鋼絞線,間排距為1 800 mm×2 000 mm,錨索錨固長度為1 970 mm,金屬網(wǎng)采用10號鉛絲制作的網(wǎng)孔規(guī)格為3 300 mm×1 000 mm的經(jīng)緯金屬網(wǎng),錨桿與錨索均采用Q235圓鋼焊接而成的長×寬=3 200 mm×80 mm的鋼筋梯子梁,用于將錨桿(索)進(jìn)行有效連接,巷道支護(hù)如圖2(b)所示。
圖2 2-511工作面回風(fēng)巷錨桿索+
3.1.2 鉆孔卸壓設(shè)計(jì)
根據(jù)2-511工作面回風(fēng)巷的具體地質(zhì)條件,結(jié)合卸壓鉆孔的原理,在巷道掘進(jìn)迎頭進(jìn)行超前施工大孔徑卸壓鉆孔,卸壓鉆孔施工完畢后進(jìn)行支護(hù)作業(yè),在滯后支護(hù)一定距離內(nèi)的巷道兩幫施工卸壓鉆孔,采用ZQJC-360/7.1型鉆機(jī),直徑為76 mm的鉆桿,鉆頭直徑為120 mm的金剛石復(fù)合片,迎頭方向布置卸壓鉆孔應(yīng)不少于2個(gè),設(shè)置孔深不小于10 m,巷道每施工8排錨桿(索)進(jìn)行一組巷道卸壓鉆孔的施工作業(yè)。
具體卸壓鉆孔各項(xiàng)布置參數(shù)如下:
1) 迎頭超前卸壓鉆孔:鉆孔孔徑為120 mm,長度為10 m,鉆孔間排距為1 000 mm×1 000 mm,在距離底板1 150 mm的位置處打設(shè),迎頭卸壓鉆孔的布置形式如2(a)所示。
2) 滯后迎頭幫部卸壓鉆孔:鉆孔直徑為120 mm,長度為6 m,巷道兩幫各在距離底板1 750 mm的位置處垂直于巷幫打設(shè),間距為1 000 mm,具體布置形式如圖2(b)所示。
為驗(yàn)證2-511工作面回風(fēng)巷錨桿索+鉆孔卸壓支護(hù)方式的效果,在滯后掘進(jìn)工作面10 m的位置處,通過十字布點(diǎn)法對巷道的表面位移進(jìn)行持續(xù)觀測,每天對巷道圍巖的位移進(jìn)行一次觀測,持續(xù)觀測50 d,根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)得出巷道表面位移的曲線,如圖3所示。
圖3 巷道圍巖變形量曲線
由圖3可知,2-511工作面回風(fēng)巷采用錨桿索+鉆孔卸壓支護(hù)方案后,在0~20 d內(nèi)巷道圍巖變形量較大,頂?shù)装宓淖冃嗡俾蕿?.5 mm/d,兩幫變形速率為5.7 mm/d;30 d后巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平烤颈3址€(wěn)定,表明巷道圍巖已基本處于穩(wěn)定狀態(tài),巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?70 mm,兩幫最大移近量為120 mm,有效保障了巷道圍巖的穩(wěn)定。
通過分析2-511工作面回風(fēng)巷的地質(zhì)條件,并結(jié)合鉆孔卸壓支護(hù)的原理,對2-511工作面回風(fēng)巷的支護(hù)參數(shù)及鉆孔卸壓支護(hù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì),根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果顯示,在回風(fēng)巷采用錨桿索+鉆孔卸壓的支護(hù)方案后,頂?shù)装宓淖畲笠平繛?70 mm,兩幫最大移近量為120 mm,有效控制了巷道圍巖的變形,保證了巷道圍巖的穩(wěn)定。